Симметричное шифрование, асимметричное шифрование и хеширование

Люди часто говорят «это зашифровано» так, будто это закрывает вопрос безопасности. Это не так, потому что шифрование — не одна вещь. Этот урок рассматривает три строительных блока, лежащих почти за каждым заявлением о цифровой защите: симметричное шифрование, асимметричное шифрование и хеширование. Каждое гарантирует что-то своё, и понимание того, какое именно применяется, показывает, что на самом деле защищено.

Симметричное шифрование: один общий ключ

Learning Center компании Cloudflare описывает симметричное шифрование просто: «есть только один ключ, и все стороны общения используют один и тот же (секретный) ключ и для шифрования, и для расшифровки». Advanced Encryption Standard (AES) — сегодняшний стандартный пример, заменивший более старый Data Encryption Standard (DES) после того, как короткая длина ключа DES сделала его взламываемым простым перебором. Симметричное шифрование быстрое, и именно оно на практике шифрует основную массу ваших данных, будь то файл на диске или тело веб-страницы, загружаемой по HTTPS. Его главная проблема — распространение: обеим сторонам нужен один и тот же секретный ключ, и передача этого ключа другой стороне так, чтобы его никто не увидел, — это именно та задача, которую решает асимметричное шифрование.

Асимметричное шифрование: два ключа, работающие в паре

В асимметричном, или шифровании с открытым ключом, есть два математически связанных ключа: «один ключ используется для шифрования, а другой, отличный от него, — для расшифровки», по данным Cloudflare. Ключ шифрования можно опубликовать для кого угодно — отсюда «открытый ключ», — тогда как соответствующий ключ расшифровки остаётся закрытым. Данные, запертые открытым ключом, можно открыть только закрытым ключом. Именно это позволяет двум людям, никогда не встречавшимся, согласовать общий секрет по открытой сети, и именно это происходит в самом начале каждого HTTPS-соединения (следующий урок подробно рассматривает это рукопожатие). RSA и криптография на эллиптических кривых — распространённые алгоритмы, на которых это сегодня строится.

Хеширование: отпечаток, а не замок

Хеш-функция — не то и не другое из перечисленного выше: она ничего не запирает, и открывать её ключом не нужно. NIST определяет её как функцию, которая «отображает битовую строку произвольной длины в битовую строку фиксированной длины» — говоря простыми словами, она превращает любой файл или сообщение в короткий отпечаток фиксированного размера. NIST указывает свойства, которыми должна обладать одобренная хеш-функция: должно быть вычислительно неосуществимо найти входные данные, дающие заданный результат (однонаправленность), и неосуществимо найти два разных входа, дающих одинаковый результат (устойчивость к коллизиям). Именно поэтому хеширование проверяет целостность — изменился ли этот файл? — и защищает хранимые пароли: сервис может сверить пароль с его хранимым хешем, ни разу не сохраняя сам пароль. Более старые хеш-функции, такие как MD5 и SHA-1, больше не считаются безопасными против целеустремлённого злоумышленника, поэтому современные системы вместо них используют семейства SHA-2 или SHA-3.

Что на самом деле гарантирует каждый инструмент

Как они сочетаются на практике

Почти ничто не использует только один из этих инструментов. Типичное защищённое соединение недолго использует асимметричное шифрование, чтобы согласовать общий секрет, затем переходит на быстрое симметричное шифрование для самих данных, а хеширование работает всё это время, чтобы убедиться, что ничего из отправленного не было изменено по пути. Понимание этих трёх ролей делает остальную часть этого курса — подписи, сертификаты, TLS и сквозное шифрование — понятной как сочетание одного и того же небольшого набора инструментов, а не отдельной магией.